GIÁO TRÌNH MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN

Bộ môn Đo lờng - điều khiển

-----o0o----

Giáo trình môn học

Kỹ thuật đo lờng điện

Biên soạn:

Năm 2003
Chơng I: cơ sở chung về kỹ thuật đo lờng
Bài I.1 - Định nghĩa đo lờng và phân loại thiết bị đo

1. Định nghĩa
Đo lờng là một quá trình đánh giá định lợng đại lợng cần đo để có kết quả
bằng số so với đơn vị của đại lợng đo.
Quá trình đo đợc thể hiện bằng công thức:


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

Ax =

X
X0

X là đại lợng cần đo, X0 là đơn vị đo; Ax giá trị bằng số của đại lợng đo
Từ đó ta có: X = AxX0
(1)
Phơng trình (1) là phơng trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lợng cần đo với mẫu và cho ra kết quả bằng số.

2. Phân loại cách thực hiện phép đo
- Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả đo nhận 1đợc trực tiếp từ phép đo duy
nhất.
- Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả đo đợc suy ra từ sự phối hợp của nhiều
phép đo dùng cách trực tiếp.
- Đo hợp bộ: là cách đo gần giống cách đo gián tiếp nhng kết quả nhận đợc
phải thông qua giải một phơng trình (hay hệ phơng trình) mà các thông số đã biết
chính là các số liệu đo đợc.
- Đo thống kê: Để đảm bảo chính xác ngời ta đo nhiều lần rồi lấy giá trị trung bình
3. Các đặc trng của kỹ thuật đo lờng
a. Đại lợng đo hay tín hiệu đo
Phân loại theo tính chất thay đổi của đại lợng đo:
+ Đại lợng đo tiền định: là đại lợng đo đã biết trớc quy luật thay đổi theo
thời gian, cần xác định một hay nhiều thông số.
+ Đại lợng đo ngẫu nhiên: không biết trớc quy luật thay đổi của tín hiệu
Phân loại theo cách biến đổi tín hiệu
+ Tín hiệu đo liên tục
+ Tín hiệu đo rời rạc
Phân loại theo bản chất
+ Các đại lợng đo năng lợng
+ Các đại lợng đo tần số
+ Các đại lợng đo phụ thuộc thời gian
+ Các đại lợng đo không điện
b. Điều kiện đo
Là các yếu tố bên ngoài có ảnh hởng đến sai số và kết quả đo
c. Đơn vị đo
Tuân theo hệ thống đơn vị quốc tế SI (1980) có 7 đơn vị chuẩn cơ bản
d. Thiết bị đo và phơng pháp đo
Thiết bị kỹ thuật dùng để gia công (xử lý, chuyển đổi, khuyếch đại) tín hiệu
mang thông tin đo. Chúng có tính chất đo lờng học, tức là những tính chất có ảnh

hởng đến kết quả và sai số của phép đo
Sử dụng phơng pháp đo phụ thuộc vào phơng pháp thu nhận thông tin, đại lợng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu chính xác v.v. Phân ra làm hai
phơng pháp đo cơ bản sau:
+ Phơng pháp đo biến đổi thẳng
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng
Trang
2


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

+ Phơng pháp đo kiều so sánh
e. Ngời quan sát
Đó là ngời đo hoặc gia công kết quả đo (bằng tay hoặc máy tính) phải hiểu
về phơng pháp đo, thiết bị đo, điều kiện đo, phán đoán khoảng đo để chọn thiết bị
cho phù hợp. Biết điều khiển quá trình đo để đạt đợc kết quả mong muốn. Biết các
phơng pháp gia công kết quả đo, xét đoán xem kết quả đo đạt yêu cầu hay ch a,
phải đo lại hay đo theo phơng pháp thống kê.
g. Kết quả đo
Kết quả đo ở mức độ nào đó thì có thể coi là chính xác. Một giá trị nh vậy
gọi là giá trị ớc lợng của đại lợng đo, nghĩa là giá trị đợc xác định bởi thực
nghiệm nhờ các thiết bị đo. Giá trị này gần với giá trị thực ở một điều kiện nào đó
có thể coi là thực.
Để đánh giá sai lệch giữa giá trị ớc lợng và giá trị thực ngời ta có khái niệm
sai số. Sai số rất quan trọng, nó cho phép đánh giá phép đo có đạt yêu cầu hay
không
Kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hoặc các đờng cong hay các
bảng số liệu.
4. Phân loại thiết bị đo
Thiết bị đo là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo

thành dạng tiện lợi cho ngời quan sát. Chúng có những tính chất đo lờng học, tức là
những tính chất có ảnh hởng đến kết quả và sai số của phép đo. Thiết bị đo có nhiều
loại bao gồm:
Mẫu đo
Các bộ chuyển đổi đo lờng
Các thiết bị đo lờng
Các tổ hợp thiết bị đo lờng
Các hệ thống thông tin đo lờng
+ Mẫu đo dùng để tạo ra các đại lợng vật lý có trị số cho trớc nh các điện
trở mẫu, điện cảm , pin mẫu và điện dung mẫu.
+ Chuyển đổi đo lờng là khâu chức năng biến đổi các đại lợng cần đo.
Chuyển đổi đo lờng gồm hai loại là chuyển đổi sơ cấp và chuyển đổi chuẩn hoá.
Chuyển đổi sơ cấp là chuyển đổi các các đại lợng không điện thành các đại lợng
điện, chuyển đổi chuẩn hoá là chuyển đổi từ đại lợng điện thành đại lợng điện.
+ Các thiết bị đo lờng là dụng cụ để gia công các thông tin đo lờng, tức là
tín hiệu mang thông tin đo có quan hệ hàm với các đại lợng vật lý cần đo. Tuỳ
theo cách biến đổi tín hiệu và chỉ thị ta phân thành hai loại thiết bị đo: thiết bị đo
mà giá trị của kết quả đo thu đợc là một hàm liên tục của quá trình thay đổi đại lợng đo gọi là thiết bị đo tơng tự. Thiết bị đo này bao gồm dụng cụ đo kim chỉ và
dụng cụ đo tự ghi gọi chung là chỉ thị cơ điện. Thiết bị đo mà kết quả đo đợc thể
hiện bằng số đợc gọi là thiết bị đo chỉ thị số.
+ Hệ thống thông tin đo lờng: là tổ hợp của các thiết bị đo và những thiết bị
phụ để tự động thu thập số liệu từ nhiều nguồn khác nhau, truyền thông tin đo lờng qua khoảng cách theo kênh liên lạc và chuyển nó về 1 dạng để tiện việc đo và
điều khiển.
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

3

Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

Bài I.2 - Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo lờng

1. Phân loại dụng cụ đo
Có nhiều cách để phân loại dụng cụ đo lờng, mõi cách phân loại ta có các
dụng cụ đo khác nhau.
a. Theo cách biến đổi có thể phân thành:


Dụng cụ đo biến đổi thẳng: là dụng cụ đo mà đại lợng cần đo X đợc bién
đổi thành đại lợng ra Y theo một đờng thẳng, không có khân phản hồi.



Dụng cụ đo biến đổi bù: là dụng cụ đo có mạch phản hồi với các chuyển
đổi ngợc biến đổi đại lợng ra Y thành đại lợng bù XK để bù với tín hiệu đo X.
Mạch đo là mạch khép kín. Phép so sánh đợc diễn ra sau các chuyển đổi so
cấp.
b. Theo phơng pháp so sánh có thể phân thành



Dụng cụ đo đánh giá trực tiếp: là dụng cụ đợc khác độ theo đơn vị của đại
lợng đo từ trớc, khi đo, đại lợng đo so sánh với nó để cho ra kết quả đo.



Dụng cụ đo kiểu so sánh: là dụng cụ đo thực hiện việc so sánh qua mỗi lần
đo. Sơ đồ đo so sánh là sơ đồ kiểu bù.

c. Theo phơng pháp đa ra thông tin đo có thể chia thành



Dụng cụ đo tơng tự: là dụng cụ đo có số chỉ là hàm liên tục của đại lợng
đo. Dụng cụ đo tơng tự gồm: dụng cụ đo chỉ kim, dụng cụ đo kiểu tự ghi (kết
quả ở dạng đờng cong theo thời gian)



Dụng cụ đo chỉ thị số: là dụng cụ trong đó đại lợng đo liên tục đợc biến đổi
thành rời rạc và kết quả thể hiện ở dạng số.
d. Theo đại lợng đo: có thể là các dụng cụ mạng tên đại lợng đo nh Vonmet,
Ampemet, Ômmet
2. Sơ đồ khối của dụng cụ đo
a. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo
Một dụng cụ đo thờng có ba khâu chính là: chuyển đổi sơ cấp, mạch đo và
cơ cấu chỉ thị hình 1.1.
Lợng vào

S

Mạch đo

Chỉ thị

Hình 1.1. Tổ hợp thiết bị đo lờng

Trong đó: - S: là chuyển đổi đo lờng biến đại lợng cần đo thành đại lợng điện.
- Mạch đo: thu nhận, xử lý, phân tích, khuyếch đại thông tin

- Chỉ thị: chỉ thị kết quả đo, thông báo cho ngời quan sát giá trị đại lợng
đo.
b. Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo biến đổi thẳng

Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

4


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

X

K1

Y1

K2

Y2

Yn

..

Kn

Y

Chỉ thị

Hình 1.2 Thiết bị đo chuyển đổi thẳng

Y

Đại lợng vào X qua nhiều khâu biến đổi trung gian biến đổi thành đại lợng ra
Quan hệ giữa đại lợng vào và đại
lợng ra của một khâu có
thể viết là: Yi = K i X i

X

T

Yx
y

SS
Trong đó Yi đóng vai trò là Xi+1
của khâu tiếp theo, Yi là đại lợng
Yk
trung gian, Ki là độ nhạy của khâu thứ
i
Hình 1.3 Thiết bị đo chuyển đổi bù
Vậy quan hệ giữa lợng ra và lợng
vào là: Y = K1K2KnX = f(X)
c. Thiết bị đo kiểu so sánh
Trong thiết bị đo kiểu so sánh, đại lợng vào X đợc biến thành đại lợng trung
gian Yx qua một phép biến đổi T. Yx = T.X

Sau đó Yx đợc so sánh với đại lợng bù Yk, việc này đợc thực hiện bằng một
phép trừ. Y = Yx -Yk. Trong đó Yk đợc tạo ra từ một đại lợng mẫu Y0: YK = KY0

Bài I.3 Các đặc tính của thiết bị đo
1. Các đặc tính tĩnh của thiết bị đo
Thiết bị đo có nhiều loại nhng chúng đều có chung một số đặc tính nh sau:
a. Sai số của dụng cụ đo
Có nhiều nguyên nhân gây ra sai số: có thể đó là những nguyên nhân do
chính phơng pháp đo gây ra hoặc một nguyên nhân nào đó có tính quy luật. Cũng
có thể là do các yếu tố ngẫu nhiên. Có phân sai số theo nhiều cách nh:
+ Sai số hệ thống: sai số mà giá trị của nó luôn không đổi hay thay đổi có
tính quy luật, về nguyên tắc có thể loại trừ đợc.
+ Sai số ngẫu nhiên: là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên, sai số
này còn gọi là sai số phụ.
Ngoài ra còn có thể phân loại thành:
* Sai số tuyệt đối: là hiệu của giá trị đại lợng đo X và giá trị thực X th (giá trị
thực là giá trị đại lợng đo đợc với độ chính xác nào đó nhờ dụng cụ mẫu).
X = X X th

* Sai số tơng đối: Sai số tơng đối của một phép đo đợc tính bằng:
% =

X
.100%
X

X: giá trị của đại lợng đo, hoặc X (giá trị trung bình)
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

5


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

* Cấp chính xác của dụng cụ đo: là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc
phải. Ngời ta qui định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tơng đối qui
đổi của dụng cụ đo:
% =

X
.100%
DX

X là sai số tuyệt đối cực đại

DX là giá trị lớn nhất của thang đo
Giá trị % đợc dùng để xắp xếp dụng cụ đo thành cấp chính xác. VD cấp
0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1; 1.5; 2.5
Vậy biết cấp chính xác ta có thể suy ra sai số tơng đối quy đổi và sai số trong
các phép đo.
Ví dụ 1.1 Dùng một dụng cụ có thang đo 5A, cấp chính xác là 1, tìm dảI
dòng điện đo đề cho sai số tơng đối của phép đo < 1.5%.
Sai số tuyệt đối phạm phải sẽ là: 5.1% = 0.05A. DảI dòng đIện đo là: I >
0.05 *100 /1.5 = 3.3A.
b. Độ nhạy
Độ nhạy của dụng cụ đo đợc tính bằng: S =

Y

X

Trong đó: Y là biến thiên của chị thị đo và X là biến thiên của đại lợng đo.
Nếu dụng cụ đo gồm nhiều chuyển đổi nối tiếp thì độ nhạy của chúng bằng
tích độ nhạy của từng khâu.
n

S = S1 .S2 ....Sn = s i
i =1

c. Điện trở vào và tiêu thụ công suất của thiết bị đo.
* Điện trở vào: là điện trở đầu vào của dụng cụ đo. Điện trở vào của dụng cụ
đo phải phù hợp với điện trở đầu ra của khâu trớc đó của chuyển đổi sơ cấp.
Khi đo điện áp của một nguòn điện hoặc điện áp rơi trên phụ tải yêu cầu điện
trở của Vonmet càng lớn càng tốt. Ngợc lại khi đo dòng điện qua phụ tải yêu cầu
điện trở của Ampemet càng nhỏ càng tốt để giảm sai số của phép đo.
* Điện trở đo của dụng cụ đo: điện trở ra của dụng cụ xác định công suất có
thể truyền cho khâu tiếp theo, điện trở càng nhỏ công xuất ra càng lớn
d. Độ tác động nhanh
Độ tác động nhanh là thời gian để dụng cụ xác lập kết quả đo trên chỉ thị. đói
với dụng cụ đo tơng tự, thời gian này khoảng 4s, đối với dụng cụ đo số có thể đo
dợng hàng nghìn điểm đo trong một giây.
e. Độ tin cậy
Độ tin cậy của dụng cụ đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh:
+ Độ tin cậy của linh kiện sử dụng
+ Kết cấu dụng cụ không quá phức tạp
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

6


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

+ Điều kiện làm việc
Độ tin cậy đợc xác định bởi thời gian làm việc tin cậy trong điều kiện cho
phép. Độ tin cậy là đặc tính quan trọng của dụng cụ đo.
2. Các đặc tính động của thiết bị đo
Khi đo các đại lợng biến thiên ta phải xét đến đặc tính động của dụng cụ đo.
Đặc tính động của dụng cụ đo thể hiện ở quan hệ giữa đại lợng ra và đại lợng vào
ở trạng thái động.
Trong dụng cụ đo các sai số này phải nhỏ hơn một giá trị cho phép quy định
bởi nhà nớc.
Dải tần của dụng cụ đo là khoảng tần số của đại lợng vào để cho sai số
không vợt quá giá trị cho phép.
Bài I.4 Khái niệm về chuyển đổi đo lờng
1. Khái niệm
Trong sản xuất cũng nh trong nghiên cứu khoa học, trong các quá trình công
nghệ mới, các quá trình phức tạp hoặc trong công nghiệp hiện đại liên quan đến
việc đo lờng các đại lợng vật lý nh cơ học, hoá học, quang học, nhiệt học. Các
thiết bị đo hiện đại không chỉ tác dụng lên giác quan con ngời mà còn dùng vào
việc tự động thu thập số liệu truyền kết quả đó đi xa, tính toán không cần sự tham
gia của con ngời hay tự động điều khiển một quá trình nào đó. Do đó trên quan
điểm kỹ thuật quá trình đo trong các thiết bị hiện đại là biến đổi những tin tức về
đại lợng đo thành dạng nào đó thích hợp nhất đối với con ngời hoặc máy móc ở
trình độ phát triển của kỹ thuật
Ưu điểm của phơng pháp điện để đo các đaị lợng không điện nh sau:
+ Có thể thay đổi độ nhạy của thiết bị một cách đơn giản trong phạm vi
rộng của đại lợng đo vì vâỵ cho phép có những thiết bị vạn năng có thể thu thập đợc những thông tin rất bé và rất lớn. Kỹ thuật điện tử cho phép khuyếch đại lên

hàng ngàn lần, vì vậy độ nhạy của thiết bị tăng lên rất nhiều.
+ Các thiết bị điện có quán tính nhỏ, có dải tần số rộng. Vì vậy không chỉ đo
đợc các đại lợng không điện biến đổi chậm mà còn có thể đo đợc những đại lợng
biến đổi nhanh mà các phơng pháp không đo đợc.
+ Có khả năng đo từ xa, cho phép tập trung hoá và cùng một lúc có thể đo
đợc nhiều đại lợng khác nhau về số lợng và tính chất, cho phép truyền kết quả đo
trên khoảng cách lớn.
+ Có khả năng liên hợp các thiết bị đo và điều khiển tự động những khối
thiết bị cùng kiểu.
Vai trò quan trọng đầu tiên trong việc thu thập thông tin đo là các bộ chuyển
đổi đo lờng hay còn gọi là các bộ cảm biến (sensor)
2. Định nghĩa về chuyển đổi đo lờng
Chuyển đổi đo lờng là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa hai
đại lợng vật lý với một độ chính xác nhất định.
Chuyển đổi đo lờng sơ cấp là một khâu chức năng biến một tín hiệu không
điện thành tín hiệu điện.
4. Phân loại chuyển đổi đo lờng
a. Phân loại dựa trên nguyên lý của chuyển đổi
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng
Trang
7


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

- Chuyển đổi điện trở: là chuyển đổi mà đại lợng không điện X đợc biến
thành đại lợng ra Y là điện trở của chuyển đổi điện trở.
- Chuyển đổi điện từ: là chuyển đổi mà đại lợng không điện X làm thay
đổi các thông số của mạch từ nh: , à, s... và dẫn đến thay đổi điện cảm L.
- Chuyển đổi tĩnh điện: đại lợng không điện X làm thay đổi điện dung C

hay điện tích của nó.
- Chuyển đổi hoá điện: đại lợng không điện X làm thay đổi điện dẫn hay
sức điện động hoá điện.
- Chuyển đổi nhiệt điện: đại lợng không điện X làm thay đổi sức điện
động nhiệt điện hoặc điện trở đầu ra của nó
b. Phân loại theo tính chất của nguồn điện
- Chuyển đổi phát điện: đại lợng không điện sẽ làm thay đổi tín hiệu đầu
ra là E, U, I, Q v.v
- Chuyển đổi thông số: đầu ra của chuyển đổi là các đại lợng R, L, C, M.
Lúc đó cần thêm các nguồn điện phụ thì mới biến đổi thành các đại lợng U, I
c. Phân loại theo phơng pháp đo
- Chuyển đổi biến đổi trực tiếp: là chuyển đổi trong đó các đại lợng
không điện đợc biến trực tiếp thành đại lợng điện.
- Chuyển đổi bù.
5. Một số chuyển đổi thờng gặp
R
3
4
a. Chuyển đổi điện trở
+ Chuyển đổi điện trở tiếp xúc
hình 1.4. Khi kích thớc của sản phẩm 1
giảm, thanh trợt 2 di chuyển làm cho
phần tử tiếp xúc gắn trên thanh 3 đợc
tiếp xúc với 4. Điện trở tiếp xúc của 3 và
4 thay đổi từ Rtx = thành R tx 0 .

C

2

L
1

+ Chuyển đổi biến trở hình 1.5
Hình 1.4 Chuyển đổi tiếp xúc một giới hạn
Chuyển đổi biến trở là một biến
trở mà con chạy của nó di chuyển tơng
R, l
ứng với đại lợng không điện cần đo. Đại
Rx, lx
lợng chủ của chuyển đổi là sự di chuyển
của con chạy, có thể là di chuyển dài
hoặc di chuyển góc còn đại lợng ra là
Hình 1.5 Chuyển đổi biến trở
điện trở.
Chuyển đổi biến trở thờng dùng để đo
những di chuyển thẳng kích thớc từ 2 ữ3mm hoặc các di chuyển góc. Ngoài ra
chuyển đổi biến trở còn dùng để lấy các thông tin về lực, áp xuất, mức chất lỏng
+ Chuyển đổi tenzo (điện trở lực căng)
Chuyển đổi tenzo trong công
1
2
3
nghiệp thờng có 3 loại là chuyển đổi
tenzo dây mảnh, lá mỏng và màng
mỏng. Tuy nhiên phổ biến nhất là
a
chuyển đổi dây mảnh có cấu tạo nh
hình 1.6.
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

l0

8

Hình 1.6 Cấu tạo của chuyển đổi tenzo dây mảnh


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

Tấm giấy mỏng loại bền 1. Dây điện trở tenzo 2 hình răng lợc có đờng kính
0.02 ữ 0.03mm dán lên tấm giấy mỏng 1. Đầu dây của điện trở đợc nối với dây
dẫn bằng đồng 3 để nối với mạch đo. Phía trên thờng đợc phủ bằng sơn hoặc dán
một tấm giấy lên để cố định sau đó ngời ta ghi các thông số của chuyển đổi.
Thông thờng l 0 = 8 ữ 15mm . Chiều rộng thờng a = 3 ữ 10mm . Điện trở thay
đổi trong khoảng 10 ữ 150 . Các thông số trên có thể đợc mở rộng hơn tuỳ yêu
cầu.
Khi đo biến dạng, chuyển đổi đợc dán lên đối tợng đo, lúc đối tợng bị biến
dạng, chuyển đổi biến dạng theo và điện trở của chuyển đổi tenzô thay đổi, xác
định điện trở ta xá định đợc mức độ biến dạng của vật.
b. Chuyển đổi điện cảm
Chuyển đổi điện cảm là chuyển đổi biến đổi giá trị đại lợng đo thành trị số điện
cảm. Một số chuyển đổi điện cảm thờng gặp nh hình 1.7.
+ Hình 1.7a là chuyển đổi đơn khá phổ biến, dới tác dụng của đại lợng cơ học P,
ví dụ nh lực, áp xuất, sự di chuyển, sẽ làm thay đổi khe hở khong khí nên làm
thay đổi từ trở toàn bộ mạch từ. Nh vậy, sẽ làm thay đổi tổng trở Z cũng nh điện cảm
của cuộn dây.
+ Hình 1.7b, c dới tác dụng của đại lợng cơ học P sẽ làm thay đổi khe hở không

khí . Chuyển đổi này thờng dùng để đo những di chuyển từ 5 ữ 20mm hoặc di
chuyển góc.
+ Hình 1.7d là chuyển đổi làm thay đổi dòng điện xoáy, gồm một cuộn dây
không lõi thép đợc mắc vào điện áp có tần số rất cao(cỡ vài Mhz). Khi ta di
chuyển tấm kim loại hoặc vòng dây ngắn mạch sẽ làm thay đổi tổn hao từ trong
cuộn dây, do vậy điện cảm L của cuộn dây cũng thay đổi theo. Hình a, b, c, d còn
gọi là chuyển đổi điện từ đơn.
+ Hình 1.7e là chuyển đổi làm thay đổi khe hở không khí kiểu vi sai, gồm
hai cuộn dây giống hệt nhau.
P

W

W



(b)

(a)

(c)

P

U

R

P

(d)

1

2

(e)

Hình 1.7 Một số chuyển đổi điện cảm thờng gặp

c. Chuyển đổi hỗ cảm
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

9


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

Là chuyển đổi biến giá trị đo thành trị số hỗ cảm. Một số loại chuyển đổi
hỗ cảm thờng gặp nh hình 1.8.
U

P

U

x

x



E

W1

W2

E
E1

U
a

E2

U
b

d

Hình 1.8 Một số chuyển đổi hỗ cảm

+ Hình 1.8a là chuyển đổi biến áp có lõi di động, cuộn dây w 1 đợc cung cấp
bằng nguồn xoay chiều. Khi đại lợng cơ học P tác dụng lên chuyển đổi thì sẽ làm
cho từ trở của khe hở không khí thay đôỉ dẫn tới từ trở của mạch từ thay đổi, điều
này làm cho từ thông móc vòng qua mạch từ thay đổi làm xuất hiện sự thay đổi sức
điện động E ở cuộn dây w2

+ Hình 1.8b, dới tác dụng của đại lợng đo sẽ làm di chuyển vòng ngắn mạch,
từ thông móc vòng qua vòng dây nhiều hay ít tuỳ thuộc vào vị trí của nó trong khe
hở không khí. Vì vậy khi di chuyển vòng ngắn mạch sẽ làm cho từ thông chính
móc vòng qua các cuộn dây w1 và w2 thay đổi nên dẫn tới E2 thay đổi

+ Hình 1.8c là chuyển đổi vi sai kiểu thay đổi khe hở không khí , khi P tác
dụng lên chuyển đổi sẽ làm cho 1 và 2 biến thiên ngợc nhau, do vậy từ trở của
hai mạch từ thay đổi ngợc nhau, dẫn đến làm cho E1 và E2 biến thiên ngợc nhau.
d. Chuyển đổi cảm ứng
Đây là chuyển đổi phát điện. Ví dụ một số chuyển đổi thờng gặp nh sau:
Hình 1.10a là loại thay đổi từ thông bằng cách thay đổi vị trí của cuộn dây
N
S

N
x x

S

b

N

x

x

N

a

Fx


N
x

c

1

N
S

1

S

Hình 1.10 Một số chuyển đổi cảm ứng

trong từ trờng.
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

10


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

Hình 1.10b là loại thay đổi từ trở của mạch từ.
Hình 1.10c là loại thay đổi từ thông bằng cách thay đổi hệ số dẫn từ dới hiện
tợng áp từ.
e. Chuyển đổi điện dung
Chuyển đổi điện dung là chuyển đổi mà dựa trên sự tác động tơng hỗ giữa
hai điện cực tạo thành 1 tụ điện. Điện dung của nó đợc thay đổi dới tác động của
đại lợng vào. Một số chuyển đổi điện dung nh hình 1.11.
h. Chuyển đổi áp điện

Hình1.11 Một số chuyển đổi điện dung

Nguyên lý làm việc của chuyển đổi này dựa trên hiệu ứng áp điện.
- Hiệu ứng áp điện thuận là sự xuất hiện điện
Fx
tích trên bề mặt của một số chất điện môi khi chất
điện môi này chịu tác dụng của ứng xuất cơ học.
Khi không còn ứng xuất chất điện môi lại trở về
+ ++++++
trạng thái không mang điện. Chất điện môi nh vậy
---------gọi là chất áp điện (ví dụ nh thạch anh).
Hình 1.12 Hiệu ứng áp điện
- Hiệu ứng áp điện ngợc là sự thay đổi kích
thớc hình học của chất áp điện khi đặt nó trong điện
trờng.
g. Các bộ chuyển đổi nhiệt điện
Các chuyển đổi nhiệt điện làm việc dựa trên quan hệ của quá trình nhiệt với
các yếu tố nh nhiệt dẫn của môi trờng, diện tích trao đổi nhiệt, tốc độ di chuyển
của môi trờng v.v. Chuyển đổi nhiệt điện dùng đo nhiệt độ mà còn dùng để đo di
chuyển, kích thớc, tốc độ, lu tốc của chất lỏng và chất khí, độ chân không, độ ẩm
và còn dùng để phân tích khí.

+ Chuyển đổi nhiệt ngẫu. Nguyên lý
nóng
lạnh
làm việc là biến nhiệt độ thành sức điện
a'
C
a
A
động. hàn a và b.
+ Chuyển đổi nhiệt điện trở. Là vật
dẫn hay bán dẫn có hệ số nhiệt độ lớn và đb'
D
b
ợc trao đổi nhiệt với môi trờng xung quanh.
B
Vì điện trở của nó phụ thuộc vào nhiệt độ
nên phụ thuộc vào cách trao đổi nhiệt giữa
dẫn và môi trờng. Dựa vào quan hệ này ngHình 1.13 Chuyển đổi nhiệt ngẫu
ời ta chế tạo thiết bị đo các đại lợng không
điện khác nhau nh nhiệt độ, vận tốc, lu tốc,
nồng độ v.v. Nhiệt điện trở thờng làm bằng dây mảnh có đờng kính từ 0.02 ữ 0.06mm,
dài 5 ữ 20mm. Yêu cầu đối với vật liệu làm nhiệt điện trở là có hệ số nhiệt độ lớn và ổn
định. Điện trở xuất lớn

Có các loại nhiệt điện trở sau: nhiệt điện trở kim loại, nhiệt điện trở Platin,
nhiệt điện trở Niken, nhiệt điện trở bán dẫn,
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng
Trang
11

Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

i. Chuyển đổi hoá điện
Chuyển đổi hoá làm việc dựa trên hiện tợng điện hoá xảy ra khi cho dòng
điện đi qua bình điện phân hoặc do các quá trình oxy hoá khử trên các điện cực,
phụ thuộc vào tính chất các điện cực và nồng độ chất điện phân.

Chơng ii: các cơ cấu chỉ thị cơ điện
Bài II.1- Cơ sở chung
1. Nguyên lý làm việc của các chỉ thị cơ điện
Khi cho dòng điện vào cơ cấu chỉ thị cơ điện, do tác đọng của từ trờng lên
phần đọng của cơ cấu đo sẽ tạo ra một mô men quay M q. độ lớn của mômen này
tỷ lệ với độ lớn của dòng điện đa vào cơ cấu:
Mq =

dWe
d

We là năng lợng từ trờng, là góc quay phần động.

Nếu đặt trục của phần động một lò xo cản, khi phần động quay lò xo bị xoắn
lại sinh ra mô men cản M C. Mômen này tỷ lệ thụcc với góc lệnh và đợc biểu
diễn đới dạng biểu thức:
M C = D

D là hệ số phụ thuộc vào kích thớc và vật liệu chế tạo lò xo.
Khi mômen cản bằng mômen quay, phần động của cơ cấu dừng lại ở vị trí
cân bằng: M q = M C . Vậy ta có:
=

dWe
Dd

Đây là phơng trình đặc tính thang đo, từ đó ta biết đợc đặc tính của thang đo
và tính chất của cơ cấu chỉ thị.
2. Các chi tiết cơ khí chung của chỉ thị cơ điện
a. Trục và trụ
Là bộ phận quan trọng trong các chi tiết cơ khí của các cơ cấu chỉ thị cơ
điện. Đảm bảo cho phần động quay trên trục có gắn các chi tiết của phần động
nh kim chỉ, lò xo phản, khung dây.
b. Lò xo phản kháng
Thờng có dạng hình đĩa, lò xo phản để tạo ra mômem cản MC.
c. Dây căng và dây treo
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

12


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

Để khử ma sát giữa trục quay và trụ đỡ ngời ta dùng dây căng hoặc dây treo,
đồng thời dây căng hoặc dây treo còn để tạo ra mômen cản.
d. Kim và chỉ thị bằng ánh sáng
Kim chỉ thị góc quay đợc gắn với trục quay. Độ di chuyển của kim trên
thang chia độ tỉ lệ với góc quay .
e. Thang đo
Thang đo là mặt khắc độ, để xác định giá trị đo

Lò xo phản kháng

Dây căng

Dây treo

Hình 2.1 Một số cơ cấu phản kháng

f. Bộ phận cản dịu
Để rút ngắn quá trình dao động của phần động, xác lập vị trí nhanh chóng
trong cơ cấu chỉ thị. Thông thờng sử dụng hai loại cản dịu đó là cản dịu kiểu
không khí và cản dịu kiểu cảm ứng

Cơ cấu cản dịu kiểu không khí

Cơ cấu cản dịu kiểu cảm ứng

Hình 2.2 Một số cơ cấu cản dịu thờng gặp

4. Các ký hiêu quy ớc trên mặt dụng cụ đo

Trên mặt các chỉ thị điện cơ thờng có ghi nhiều ký hiệu. Sau đây là một số
ký hiệu chủ yếu:
+ Đại lợng cần đo và thang đo của dụng cụ: V - Vôn mét
A - Ampemét
+ Ký hiệu kiểu dụng cụ đo: Cơ cấu từ điện Cơ cấu điện từ Cơ cấu điện động
Cơ cấu cảm ứng
+ Loại dòng điện: Một chiều Xoay chiều
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

13


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

+ Cấp chính xác: Ví dụ 0.1
+ Vị trí đặt dụng:

nằm ; đứng , ; nghiêng 600

+ Điện áp thử cách điện 2KV

Bài II.2- Cơ cấu chỉ thị từ điện
1. Cấu tạo
Phần tĩnh: gồm nam châm vĩnh cửu,
cực từ, lõi sắt non.
Phần động: gồm khung dây, lò xo
phản, kim chỉ thị, trục
2. Nguyên lý làm việc
2.3 Cơ cấu chỉ thị từ điện
Khi có dòng điện cần đo I chạy qua, dới tácHình
dụng
của từ trờng làm cho
khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu 1 góc . Mq tạo ra theo biểu thức:
Mq =

dWe

d

Trong đó We = I, với = BSW
B: độ từ cảm của từ trờng nam châm vĩnh cửu.
S: diện tích khung dây phần động, W số vòng dây, góc lệch của khung dây với vị trí
ban đầu.
Mq =

dWe d (I) d (BSW)I
= B SWI
=
=
d
d
d

Tại vị trí cân bằng thì mô men quay bằng mô men cản: Mq = Mc
BSWI = D
Vậy

=

1
BSWI = KI ,
D

K là độ nhạy của dụng cụ bằng hằng số.

Đây là phơng trình chuyển đổi của cơ cấu từ điện, góc quay tỉ lệ bậc nhất với
dòng điện I.

3. Đặc tính và ứng dụng
- Cơ cấu chỉ thị từ điện chỉ sử dụng đợc trong mạch một chiều vì góc quay tỷ
lệ bậc nhất với dòng điện I, thang đo chia đều. Nếu sử dụng trong mạch xoay
chiều thì phải kết hợp với mạch chỉnh lu.
- Dụng cụ có độ nhạy cao và không đổi trong toàn thang đo (vì nam châm
vĩnh cửu có B thờng lớn).
- Độ chính xác cao, ít chịu ảnh hởng của từ trờng ngoài, tiêu thụ năng lợng
ít.
- Khả năng quá tải kém vì phần động có dây tiết diện nhỏ, chế tạo phức tạp.
- ứng dụng: dùng chế tạo A, V, Ôm mét, điện kế có độ nhạy cao.

Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

14


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

Bài II.3-Cơ cấu chỉ thị điện từ
1. Cấu tạo
Cơ cấu gồm hai loại
chính. Kiểu cuộn dây dẹt (cơ
cấu chỉ thị điện từ loại hút)
và kiểu cuộn dây tròn (cơ
cấu chỉ thị điện từ loại đẩy).
Cơ cấu cuộn dây dẹt có phần
tĩnh là cuộn dây dẹt cho
dòng điện cần đo đi qua, còn

phần động là 1 lá thép đặt
lệch tâm có thể quay trong
Cơ cấu điện từ loại đẩy
Cơ cấu điện từ loại đẩy
khe hở cuộn dây tĩnh. Kiểu
cuộn dây tròn có phần tĩnh là
Hình 2.4 Cơ cấu chỉ thị điện từ
cuộn dây tròn bên trong gắn
một lá thép. Phần động cũng là một lá thép gắn trên trục. Ngoài ra còn có bộ phận
cản dịu, lò xo phản, kim chỉ thị.
2. Nguyên lý làm việc
Khi cho dòng điện chạy vào cuộn dây trong lòng cuộn dây sẽ có một từ trờng, từ trờng này hút lá thép vào trong lòng cuộn dây tĩnh trong trờng hợp cuộn
dây dẹt, còn đối với cuộn dây tròn thì từ trờng sẽ từ hoá hai lá thép khi đó hai lá
thép có cùng cực tính nên đẩy nhau. Cả hai trờng hợp trên sẽ làm cho phần động
quay đi một góc .
Ta có:

Mq =

We =

dWe
; với We là năng lợng điện từ trờng tích luỹ ở cuộn dây.
d

1 2
LI ; trong đó L phụ thuộc
2

Vậy mô men quay: Mq =

1 2 dL
I
2 d

Tại vị trí cân bằng Mq = Mc Mq = D =

1 2 dL
I
2D d

3. Đặc tính và ứng dụng
- Góc quay tỷ lệ với bình phơng của dòng điện và thang đo chia không đều
- Cơ cấu điện từ có thể đo đợc dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều, vì
khi thay đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần tĩnh các miếng thép luôn đợc từ hoá
cùng cực tính.
- Hình dáng lá thép đợc chế tạo sao cho

dL
giảm theo góc quay để thang
d

chia độ có thể tơng đối đều.
- Cơ cấu chịu ảnh hởng của từ trờng ngoài vì khe hở không khí giữa phần
động và phần tĩnh khá lớn.
- Độ chính xác thấp do có tổn hao trong lõi thép.
- Khả năng quá tải tốt, vì có dòng điện cần đo ở phần tĩnh, dây có thể lớn.

Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

15


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

- Đơn giản, rẻ tiền, chủ yếu đo dòng xoay chiều
tần số công nghiệp.

Bài II.4- Cơ cấu chỉ thị điện động
1. Cấu tạo
Cơ cấu gồm hai cuộn dây. Khung dây phần
tĩnh có tiết diện lớn, ít vòng dây và thờng chia làm
hai phân đoạn. Phần động là một khung dây có vô
số vòng dây và tiết diện nhỏ. Ngoài ra còn có kim
chỉ thị, bộ phận cản dịu.
Hình 2.5 Cơ cấu chỉ thị điện động
2. Nguyên lý làm việc
Khi cho dòng điện cần đo I1 và I2 vào các
khung dây phần tĩnh và phần động, năng lợng từ trờng tích luỹ trong lòng khung
dây:
We =

1
1
L1 I12 + L 2 I 22 + M12 I1I 2
2
2

Trong đó L1, L2 là điện cảm của các khung dây và chúng không phụ thuộc
vào góc quay . M12 là hỗ cảm của hai khung dây, M12 thay đổi khi phần động
quay.
*Khi hai dòng điện đa vào các khung dây là dòng điện một chiều thì:
Mô men quay Mq =

dWe dM12
=
I1 I 2
d
d

Khi Mq = Mp ta có: dM12 I1I 2 = D = 1 dM12 I1I 2
d

D d

*Khi hai dòng điện đa vào các khung dây là dòng điện xoay chiều thì:
Mq(t) = dM12 i1i 2
d

Do phần động có quán tính mà không kịp thay đổi theo giá trị tức thời cho
nên thực tế lấy theo giá trị trung bình trong một chu kỳ:
Mq =

T

1
M q (t )dt , giả sử: i1 = I1msint và i2 =I2msin(t-)
T o

T

dM
1
Vậy: Mq = I1m I 2 m sin t sin(t ) 12 dt = dM12 I1I 2 cos
T0
d
d

Với là góc lệch pha giữa hai dòng điện, I 1, I2 là các giá trị hiệu dụng của
dòng điện lần lợt chạy trong khung dây động và khung dây tĩnh.
Khi Mq = Mp

dM12
1 dM12
I1 I 2 cos = D =
I1I 2 cos
d
D d

3. Đặc điểm và ứng dụng
- Mô men quay tỷ lệ với tích số của hai dòng điện, thờng dùng để đo công
suất.
- Độ nhạy của dụng cụ thấp vì hỗ cảm giữa hai khung dây nhỏ và chịu ảnh hởng của từ trờng ngoài.
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng
Trang
16


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

- Độ chính xác cao vì không có tổn hao trong lõi thép.
- Khả năng quá tải kém vì khung dây phần động kích thớc nhỏ.
- Cấu tạo phức tạp, đắt tiền
4. Cơ cấu sắt điện động
Gồm cuộn dây tĩnh, mạch từ nhằm tạo ra
từ trờng trong khe hở không khí. Khung dây
động đợc gắn với trục quay cùng kim chỉ
thị, lò so phản và bộ phận cản dịu.
i1
Góc quay đợc tính:
= K.I1I2cos(I1,I2)
Có thể đo dòng một chiều hoặc xoay
i2
chiều. Từ trờng qua khung dây lớn nên ít
chịu ảnh hởng của từ trờng ngoài
Hình 2.6 Cơ cấu sắt điện động
- Tổn hao sắt từ lớn, độ chính xác
không cao.
- Thờng dùng để chế tạo các dụng cụ đo dòng, đo áp, công suất và góc lệch
pha.
Bài II.5-Cơ cấu chỉ thị cảm ứng

1. Cấu tạo
Cơ cấu cảm ứng có cấu tạo nh hình 2.7.
1- Cuộn dây 1
2- Cuộn dây 2
3- Cơ cấu cản dịu
4- Đĩa nhôm và trục quay
2. Nguyên lý làm việc

Hình 2.7 Cơ cấu chỉ thị cảm ứng

Khi cho dòng điện I1 vào cuộn dây 1 thì cuộn dây 1 tạo ra từ thông 1 xuyên
qua một đĩa nhôm, dòng điện I2 vào trong cuộn dây 2 tạo ra từ thông 2 cũng
xuyên qua đĩa nhôm .
Do có sự tơng hỗ giữa từ thông 1, 2 với các dòng điện Ix1 và Ix2 mà sinh ra
các lực F1 và F2 và các mô men tơng ứng làm quay đĩa nhôm.
Mq = kf12sin.
Với k là hằng số của cơ cấu chỉ thị cảm ứng.
3. Đặc điểm và ứng dụng
Điều kiện để có mô men quay là phải có hai từ trờng, mô men quay cực đại
khi sin = 1, có nghĩa là góc lệch pha giữa hai từ thông 1 và 2 là /2
Dùng để chế tạo các dụng cụ đo công suất và các đồng hồ đo đếm điện năng.
Cơ cấu phụ thuộc tần số, độ chính xác thấp vì khi làm việc dòng điện xoáy
trong đĩa nhôm gây tổn hao công suất.
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

17


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

Chơng iII đo dòng điện và điện áp
Bài III.1 Những yêu cầu cơ bản của việc đo dòng điện và điện áp

1. Yêu cầu về điện trở
a. Khi đo dòng điện

Ampemet đợc mắc nối tiếp vào mạch cần
đo dòng điện. ảnh hởng của điện trở Ampemét
đến mạch đo nh sau:
Giả sử phụ tải có điện trở là R t, trớc khi
mắc A vào mạch thì dòng điện đợc tính:
I=

U
Rt

I

A

U

Rt

Hình 3.1 Sơ đồ đo dòng điện

Khi mắc A nối tiếp vào điện trở tải, do ảnh hởng của điện trở A, dòng điện đợc
tính:

IA =

U
Rt + RA

Với IA là dòng điện chỉ bởi Ampemét, RA là điện trở của Ampemét.
Sai số hệ thống do dụng cụ đo gây ra trong mạch đo sẽ là:

Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

18


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

p =

RA
R
I - IA
=
A , vì RA << Rt
I
Rt + RA
Rt

Ta thấy sai số do A gây ra đối với mạch tải càng nhỏ nếu điện trở của
Ampemét càng nhỏ so với điện trở tải. Vì thế yêu cầu đối với Ampemét đo dòng
điện là điện trở của Ampemét càng nhỏ càng tốt.
Rng
b. Khi đo điện áp
Volmét đợc mắc song song với tải. Nh
Rt
E
V Uv
vậy, ta thấy điện trở của tải đợc mắc song

song thêm với điện trở của volmét và làm
Ut
Rv
thay đổi điện áp trên tải và gây ra sai số hệ
thống.
Hình 3.2 Sơ đồ đo điện áp
Lúc cha mắc volmét, điện áp trên tải có thể
đợc tính:
Ut =

E.R t
R t + R ng

Trong đó: E là sức điện động của nguồn, R r : điện trở tải, Rng là điện trở của
nguồn. Lúc mắc volmét vào mạch, điện áp Uv volmét đo đợc sẽ là:
Uv =

UtRv
; với
Re + Rv

Re =

R t R ng
R t + R ng

Sai số phụ do volmét gây ra lúc mắc vào tải đợc tính:
p =

Ut Uv

Re
R
=
e
Ut
Re + Rv Rv

Ta thấy sai số hệ thống do Volmét gây ra càng nhỏ nếu điện trở của nó càng
lớn so với điện trở tải. Vì thế yêu cầu đối với Volmét là điện trở càng lớn càng tốt.
2 Yêu cầu về đặc tính tần
Ngoài yêu cầu về điện trở các Ampemét và Volmét xoay chiều phải có đặc
tính tần (tần số) thích hợp với dải tần số cần đo. Làm việc ở ngoài dải tần số đó sẽ
gây sai số phụ do tần số. Sai số này phải tính đến ảnh hởng của các mạch đo lờng
đi theo chỉ thị nh sun, biến dòng, biến áp, chỉnh lu, khuyếch đại v.v
Bài III.2- Đo dòng điện

1. Phơng pháp đo
Ngời ta sử dụng một số cơ cấu chỉ thị cơ điện để chế tạo Ampemét đo cho
mạch một chiều và xoay chiều.
Ampemét từ điện: Chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện, có đặc điểm là

rất nhạy, tiêu thụ ít năng lợng nên thờng dùng để chế tạo Ampemét có cấp
chính xác từ (0.5 ữ 1.7). Đối với Ampemét từ điện, khi nhiệt độ thay sẽ
làm cho điện trở của Ampemét thay đổi dẫn tới sai số, để giảm sai số ngời ta thờng dùng phơng pháp bù nhiệt, tức là dùng một nhiệt điện trở có
hệ số nhiệt điện trở âm mắc nối tiếp trong mạch của Ampemét, vì vậy sẽ
làm cho điện trở của Ampemét gần nh không thay đổi theo nhiệt độ.
Ampemét từ điện chỉ có thể đo dòng điện một chiều.

Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

19


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

Ampemét điện từ: Đợc chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ. Loại này có

độ chính xác thấp hơn nên đợc sử dụng rộng rãi hơn. Ampemét điện từ có
thể đo đợc cả dòng 1 chiều và dòng xoay chiều, nhng chủ yếu là đo dòng
xoay chiều. Có nhiều loại nhng về nguyên lý làm việc nh nhau, song chỉ
khác nhau về hình thức, số vòng dây và thiết diện cuộn dây đặt ở phần
tĩnh.

Ampemét điện động: Có cấu tạo phức tạp và đắt tiền nên chỉ dùng trong

những trờng hợp cần độ chính xác cao, hoặc tín hiệu đo có tần số cao
hơn, sai số trong dải từ một chiều tới 3000Hz đợc xem nh không đáng kể,
với các Ampemét điện động khi đo dòng điện mức I 5A thì cuộn dây
động và cuộn dây tĩnh nối tiếp nhau, còn khi đo dòng điện lớn thì cuộn
B

B
A

A
Khi đo dòng điện nhỏ hơn 0.5 A

R1

L1

R2

L2

Khi đo dòng điện lớn

Hình 3.3 Sơ đồ nối các cuộn dây của Ampemét điện động

dây động và cuộn dây tĩnh mắc song song với nhau nh hình 3.3:
Ampemét chỉnh lu: Khi đo dòng có tần số cao hàng Khz hoặc mạch đo
dòng trong các đồng hồ vạn năng ngời ta thờng dùng các Ampemét từ
điện chỉnh lu. Các Ampemét chỉnh lu có thể sử dụng chỉnh lu một nửa
hay hai nửa chu kỳ.
Tuy nhiên, số chỉ của Ampemét chỉnh lu là giá trị trung bình của dòng
xoay chiều, nhng thông thờng các dụng cụ đo lại chỉ giá trị hiệu dụng
của dòng xoay chiều. Vì thế để thống nhất sử dụng ngời ta quy ớc khắc
độ các dụng cụ chỉnh lu bằng các giá trị hiệu dụng, với điều kiện dòng
điện là hình sin, nếu dụng vụ chỉnh lu đo dòng không sin sẽ phạm thêm
sai số về hình dáng, phải xác định để hiệu chỉnh.
Nếu chỉnh lu một nửa chu kỳ thì giá trị dòng điện trung bình qua cơ cấu
là: Icltb = 0.318I, với I là giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều.
Nếu chỉnh lu hai nửa chu kỳ thì Icltb =0.636I
2 Các phơng pháp đo mở rộng thang đo
a. Đối với ampemét một chiều
Ta đã biết cơ cấu chỉ thị từ điện dùng chế tạo các Ampemét cho mạch một
chiều. Khung dây đợc quấn bằng dây đồng có kích thớc nhỏ từ 0.02 ữ 0.04 mm.
Vì vậy dòng điện chạy qua khung dây thông thờng 20mA. Vì vậy khi cần đo

dòng điện lớn hơn ta phải dùng Rs (điện trở sun) đó là điện trở đợc chế tạo bằng
hợp kim và magan có độ ổn định cao so với nhiệt độ và đợc phân thành các cực
dòng và cực áp riêng. Điện trở sun đợc mắc song song với cơ cấu đo nh hình 3.4:
(Shunt = rẽ nhánh)
Ta gọi I là dòng điện cần đo,
Rs
Is
I0 là dòng điện chạy qua cơ cấu
I
Is là dòng chạy qua điện trở sun Rs
R0 điện trở của cơ cấu đo
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

I0

R0

Trang

Hình 3.4 Phơng pháp mở rộng thang đo cho
Ampemét một chiều

20


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

Ta có: I = I0 + Is (*)
I 0 Rs
R

=
Is = 0 I0
Is R0
Rs
R
I = I 0 1 + 0
Rs


Thay vào (*) ta có:
Với KA = 1 +
đợc:


= I 0 K A


R0
, gọi là hệ số phân dòng của Ampemét.
Rs

Khi biết R0, dòng điện định mức lệch toàn thang đo In, dòng cần đo I, ta có thể tính
KA =

R0
I
Rs =
In
KA 1

+ Một Ampemét 1 chiều có thể có nhiều giới hạn đo, thay đổi giới hạn đo
bằng cách thay đổi giá trị Rs
b. Đối với Ampemét xoay chiều
a. Phơng pháp chia nhỏ cuộn dây
Với Ampemét xoay chiều để mở rộng thang đo ngời ta không dùng Rs, Vì
nh thế sẽ cồng kềnh và đắt tiền, thông thờng cuộn dây tĩnh đợc cấu tạo thành
W

I

W

W

W

W

W

W

W

W

W

W

W

2I

4I

Hình 3.5 Phơng pháp chia nhỏ cuộn dây

nhiều phân đoạn có số vòng nh nhau, thay đổi giới hạn đo bằng cách đổi nối các
phân đoạn ấy theo kiểu song song hoặc nối tiếp, tuy nhiên phải đảm bảo điều kiện
sức từ động tổng trong thiết bị bằng hằng số.
b. Phơng pháp dùng biến dòng điện
Biến dòng điện (TI) là một máy biến áp
TI
I1
W1
đặc biệt có cuộn sơ cấp rất ít vòng cho dòng
phụ tải trực tiếp chạy qua. Cuộn thứ cấp
W2
quấn rất nhiều vòng, dây nhỏ và đợc nối kím
mạch với một ampemét. Vì điện trở của
I2
ampemét rất nhỏ cho nên có thể coi là cuộn
thứ cấp của biến dòng làm việc ở chế độ
ngắn mạch.
A
Ta có: I1W1 = I2W2
Hình 3.6 Sơ đồ dùng TI để đo dòng
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng
Trang điện

21


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

Hay I1/I2 = W2/W1 = KI, KI gọi là hệ số máy biến dòng.
Thông thờng W1 chỉ có một vòng, W1 đợc chế tạo với nhiều giá trị định mức
khác nhau tơng ứng với các giá trị dòng điện I1 cần đo, W2 đợc chế tạo với 2 cấp
dòng điện là.
I2đm = 1 A hoặc I2đm = 5 A
Trong trờng hợp Ampemét nối hợp bộ với biến dòng điện thì số chỉ của
Ampemet đợc khắc độ theo giá trị dòng điện I1 phía sơ cấp.
BàI III.3- Đo điện áp

1 - Đặc điểm cấu tạo và phơng pháp sử dụng
Ngời ta sử dụng các chỉ thị cơ điện để chế tạo các loại Volmét đo điện áp nh
Volmét từ điện, Volmét điện từ, Volmét điện động.
+ Volmét từ điện đợc cấu tạo từ cơ cấu chỉ thị từ điện, loại này thờng dùng
để đo các điện áp một chiều, có độ nhạy cao , cho phép dòng nhỏ đi qua, cũng có
thể sử dụng kèm với bộ chỉnh lu để đo điện áp trong mạch xoay chiều (trong trờng hợp cần nâng cao độ chính xác hoặc nâng cao dải tần số của tín hiệu đo).
+ Volmet điện từ có cuộn dây bố trí ở phần tĩnh nên có thể quấn nhiều vòng
dây để tạo nên điện trở lớn khá dễ dàng, tuy nhiên nếu quấn nhiều vòng dây quá
mà khi đo ở mạch xoay chiều thì xuất hiện dòng điện cảm ứng sinh ra bởi tần số
của dòng điện đo. Do đó sẽ ảnh hởng đến trị số trên thang đo của Volmét. Khắc
phục điều này bằng cách mắc song song với điện trở một tụ điện bù.
+ Khi đo điện áp ở tần số cao hơn tần số công nghiệp hoặc khi cần nâng cao
độ chính xác của phép đo ta dùng Volmét điện động, trong Volmét điện động bao
giờ cuộn dây tĩnh và cuộn
dây động cũng đợc mắc nối
tiếp nhau.

+ Khi đo điện áp có tần
số quá cao, sẽ có những sai
Rp
số phụ do tần số, vì vậy phải
bố trí thêm tụ bù cho các Hình 3.7 Cách nối các cuộn dây trong Volmét điện động
cuộn dây tĩnh và động.
2 - Phơng pháp mở rộng giới hạn đo
a. Phơng pháp dùng điện trở phụ
Yêu cầu cơ bản của Volmét là điện trở của nó càng lớn càng tốt vì thế để mở
rộng thang đo trong các Volmét cách đơn giản nhất là nối thêm điện trở phụ vào
cơ cấu đo.
Với: R0 điện trở của cơ cấu đo
Rp
R
Rp là điện trở phụ
U0 điện áp đặt lên cơ cấu
Ux điện áp cần đo
Ta có:
R0 + Rp
U0
Ux
U
=
x =
R0 R0 + Rp
U0
R0

Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

0

U0
Ux
Hình 3.8 Mở rộng thang đo cho Volmét

Trang

22


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

Đặt: Ku =

R0 + Rp
Ux
Ku =
U0
R0

KuR0 = R0 + Rp Rp =R0 (Ku -1)
Ku : Hệ số mở rộng thang đo: Ku =

Ux
U0

Các điện trở phụ thờng đợc chế tạo bằng hợp kim của Mangan có độ chính
xác cao và ít thay đổi theo nhiệt độ. Để chế tạo Volmét nhiều thang đo thì ngời ta
U1(-)

U2(-)

U3(-)

Rp1
Rp2

Rp3

Hình 3.9 Sơ đồ volmét có 3 thang đo

dùng nhiều điện trở phụ mắc nối tiếp với cơ cấu cần đo.
Ví dụ: Sơ đồ điện của 1 Volmét có 03 giới hạn đo
b. Phơng pháp dùng biến điện áp
Khi cần đo điện áp cỡ lớn hàng Kv trở lên, nếu dùng điện trở phụ sẽ cồng
kềnh và đắt tiền, tổn hao công suất lớn do đó ta phải dùng biến điện áp đo lờng,
biến điện áp đo lờng là một máy biến áp mà cuộn sơ cấp quấn rất nhiều vòng đợc
nối với điện áp cần đo, cuộn thứ cấp quấn ít vòng
U1
hơn đợc nối với Volmét có điện trở lớn nên có thể
coi biến điện áp luôn làm việc ở chế độ hở mạch:
Ta có:

W1

U 1 W1
=
U 2 W2

Để tiện trong quá trình sử dụng và chế tạo
ngời ta quy ớc điện áp định mức của biến điện áp
phía thứ cấp bao giờ cũng là 100V. Còn phía sơ
cấp đợc chế tạo tơng ứng với điện áp lới. Khi lắp
hợp bộ giữa biến điện áp và Volmét ngời ta khắc
độ Volmét theo giá trị điện áp phía sơ cấp.

W2
V
Hình 3.10 Dùng TU đo điện áp lớn

Chơng IV Đo công suất và năng lợng
Bài IV.I- Đo công suất và năng lợng trong mạch một pha

1. Đo công suất tác dụng bằng oát mét điện động
a. Đo công suất trong mạch một chiều
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

23


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

Đo công suất ngời ta thờng dùng oát mét điện động, oát mét điện động đợc chế
tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị điện động, góc quay của cơ cấu chỉ thị điện động đợc tính
nh sau:
=

1 dM12
I1I 2 cos
D d

Với là góc lệch pha giữa các dòng I1 và I2. Sơ đồ mắc nh sau:
Oát mét điện động có hai cuộn dây,
*
cuộn dây tĩnh là cuộn dòng đợc cuốn
bằng dây có kích thớc lớn, đóng vai trò +
*
nh một ampemét cho dòng phụ tải trực
tiếp chạy qua. Cuộn dây động hay còn
I2
gọi là cuộn áp thờng đợc nối tiếp với Rp
U
nó đóng vai trò nh một Volmét đặt trực
tiếp lên điện áp cuả phụ tải.
Xét với mạch một chiều ta có:
U
cos = 1, I1 = I, I 2 = R + R
p
u

I1 = I

Rtải

Hình 4.1 Sơ đồ mắc oát mét

Với Ru là điện trở một chiều của cuộn dây động. Thay vào (*) ta có:

=

1 dM12
U
I = KP
D d R p + R u

Góc quay tỉ lệ bậc nhất với công suất tiêu thụ trên tải. Vậy có thể dùng oát
mét điện động để đo công suất trong mạch một chiều.
b. Đo công suất trong mạch xoay chiều

U
- Giả sử mạch xoay chiều có điện áp
u = Umsint



và dòng phụ tải i = Imsin(t - ) = i1
vậy i2 = iu =Iumsin(t - u)
U
Iu =
zu
Vậy =
Với



Iu = I2

u

I=I

Hình 4.2 Đồ thị véctơ dòng
điện của oát mét

1

1 dM12 U
I cos( u )
D d z u

Z u = z u e j u
zu =

ru
,
cos u

là tổng trở phức cuộn dây động và Rp
(ru = Ru + Rp )

với u là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong cuộn dây động.
Thay vào ta có
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

24


Bộ môn Đo Lờng - Điều Khiển

=

1 dM 12 UI cos u
cos( u ) = KS cos u cos( u )
D d
ru

Khi = u thì = KScos = KP
Vậy số chỉ của oátmet tỷ lệ với công suất tiêu thụ trên phụ tải.
Oátmét điện động có cực tính, khi đảo chiều của một trong hai cuộn dây
oátmet sẽ quay ngợc lại, vì vậy khi nối oátmet các cực tính có đánh dấu * phải nối
với nhau.
Oátmet điện động thờng có nhiều thang đo theo dòng và áp. Giới hạn đo theo
dòng là 5A và 10A, theo áp là 150v và 300v. Dải tần từ 0Hz đến KHz. Cấp chính
xác từ 0,1 đến 0,2% ở tần số 200Hz.
2. Đo công suất phản kháng một pha
R1
Ta sử dụng oát mét điện động, cùng
I1 I
Iu *
với điện trở, cuộn cảm. sơ đồ mắc nh hình
*

4.3.
Cuộn dây dòng điện đợc mắc
L
nối tiếp với phụ tải. Cuộn dây điện
U
Rt
áp đợc mắc song song với 1 điện trở
I2
R1, sau đó đợc mắc nối tiếp với một
R
cuộn cảm L và điện trở R, ta điều
chỉnh trị số R1, L, R sao cho U và I
vuông góc với nhau. Khi đo góc
quay của oát mét là:
Hình 4.3 Sơ đồ mắc oát mét để đo công
suất phản kháng
= K.U.I cos ( I u I )
= K.U.sin = K.Q
3. Đo năng lợng tác dụng bằng công tơ cảm ứng một pha
Có rất nhiều cách đo năng lợng, song công tơ cảm ứng một pha đợc ứng
dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật vì mô men quay lớn, độ làm việc tin cậy, sai số
nằm trong phạm vi cho phép.
a. Cấu tạo
Công tơ một pha đợc chế tạo từ cơ cấu cảm ứng. Khi đó cuộn dây thứ nhất
của cơ cấu cảm ứng cho dòng tải I đi qua, cuộn dây thứ hai của cơ cấu cảm ứng
đặt điện áp của tải (tạo dòng điện Iu tỉ lệ điện áp).
b. Nguyên lý làm việc
Ta đã có mômen quay của cơ cấu cảm ứng là:
Mq = kf12sin = kfiusin
Với là góc lệch pha giữa hai từ thông i và u.

Mà

i = k i I
u = kuIu = k u

U
zu

U là điện áp đặt lên cuộn áp
zu là tổng trở cuộn áp
Giáo trình Kỹ Thuật Đo Lờng

Trang

25